小型生物質(zhì)能源油菜籽分層床式干燥設(shè)備數(shù)值模擬及優(yōu)化.pdf

1、油菜作為我國主要的油料作物，在我國中南部地區(qū)廣泛種植，油菜籽采摘后干燥貯存是極其重要的一步加工環(huán)節(jié)。本課題組針對農(nóng)戶以低成本、低能耗、高效率為目的，自主設(shè)計制造了一種以半氣化生物質(zhì)燃燒爐燃燒秸稈、薪柴等生物質(zhì)能源作為熱源供給，通過換熱器加熱自然空氣，以互換通風(fēng)的方式進(jìn)行干燥的分層干燥床式小型油菜籽干燥設(shè)備。
　　本文以該設(shè)備為研究對象，通過試驗對油菜籽的物理特性及干燥設(shè)備的干燥效果做了研究，以此為基礎(chǔ)運用CFD（Computati

2、onal Fluid Dynamics）技術(shù)及多孔介質(zhì)模型，分析了干燥室內(nèi)單相流場的分布情況，研究了設(shè)備的干燥均勻性，并對內(nèi)流場氣流分布做了組織優(yōu)化以改善干燥均勻性。在較高的風(fēng)速條件下，采用歐拉雙流體模型，模擬分析了干燥室內(nèi)熱風(fēng)與油菜籽的氣固兩相流動，研究了油菜籽的流化狀態(tài)。最后，采用不同生物質(zhì)燃料作為熱源供給，研究了設(shè)備的燃料消耗率。以下為主要研究結(jié)論:
　　(1)采用甲苯浸液比重瓶法對油菜籽的真實密度進(jìn)行了試驗研究，并用容重法

3、測定了其容積密度，試驗結(jié)果表明，油菜籽的密度隨含水率的增大而升高，并依據(jù)試驗數(shù)據(jù)通過計算法獲得了油菜籽床層的孔隙率為e=0.392。采用篩分法獲得了油菜籽顆粒的粒度分布，并求得其平均粒徑為Dp=1.8mm。通過回歸分析可得油菜籽的含水率和溫度對其比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的影響顯著，且呈正相關(guān)，并建立了比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)對溫度和含水率的二維回歸方程。由于數(shù)值模擬中物料的參數(shù)輸入一般為常數(shù)，取初始含水率為25.7％時油菜籽的特性參數(shù)為模擬依據(jù)，即ρ容

4、=653.133kg/m3, C=3.528 KJ/kg·K,λ=0.167 W/m·K。
　　(2)在小型分層床式干燥設(shè)備樣機(jī)上進(jìn)行了油菜籽干燥試驗，得出小型分層床式干燥設(shè)備能夠滿足干燥要求且干燥量大，使含水率降低到安全儲藏含水率(9％)以下所需的時間約為15h;干燥設(shè)備頂層及底層干燥效果較好，中間床層干燥效果較差;各個干燥床層中間部位干燥效果高于邊角部位。
　　(3)利用ANSYS Workbench平臺下的FLUENT

5、模塊對干燥室內(nèi)流場模型在2m/s及5m/s進(jìn)口風(fēng)速下進(jìn)行了數(shù)值模擬，從速度及壓降分布云圖得出單一縱向通風(fēng)時，風(fēng)速在縱向上變化較為明顯，橫向上分布較為均勻，物料層邊角區(qū)域及中間物料層風(fēng)速較低可能導(dǎo)致干燥不均勻，與試驗結(jié)果一致。通過干燥室結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加通風(fēng)管及橫向通風(fēng)層后，干燥室中間床層處干燥效率增加，整個干燥室內(nèi)氣流分布較為均勻，在雙向交替通風(fēng)情況下能夠有效地解決干燥均勻性問題。
　　(4)分析得出了油菜籽的臨界流化速度，在較大進(jìn)口

6、風(fēng)速條件下，油菜籽物料層被吹動而在干燥室內(nèi)形成氣固兩相流，在兩相流理論基礎(chǔ)及試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對干燥室內(nèi)油菜籽顆粒的流化狀態(tài)進(jìn)行了模擬，分析了氣固兩相流動狀態(tài)，研究了顆粒相在不同時間不同截面處的體積分?jǐn)?shù)分布云圖，模擬結(jié)果表明油菜籽在干燥室內(nèi)處于較好的流化狀態(tài)，增大了油菜籽顆粒與熱風(fēng)的接觸面積和接觸時間，能夠更好地改善干燥質(zhì)量以及干燥均勻性，提高干燥效率。
　　(5)通過對生物質(zhì)固體成型燃料、梧桐樹枝、棉桿及油菜秸稈在半氣化生物質(zhì)熱風(fēng)爐

7、中進(jìn)行的燃料消耗率試驗，分析了生物質(zhì)燃料的消耗率及消耗成本，結(jié)果表明，采用成型燃料消耗率為1.55kg/h，梧桐樹枝為2.41kg/h，棉桿為3.07kg/h，油菜秸稈為3.42kg/h。每小時消耗成本生物質(zhì)固體成型燃料為1.47元，梧桐樹枝、棉桿及油菜秸稈基本持平約為1元。采用半氣化生物質(zhì)燃燒爐及換熱器燃燒生物質(zhì)燃料作為干燥設(shè)備熱源供給能夠提高干燥設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性，并能夠減少煙氣排放保護(hù)環(huán)境。
　　本文通過CFD方法對小型生